JP2023124645A - carbon fiber electrode material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池・レドックスフロー電池・電気分解装置などに利用可能である、炭素繊維織物からなる炭素繊維電極材料に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a carbon fiber electrode material made of carbon fiber fabric, which can be used in fuel cells, redox flow batteries, electrolyzers, and the like.
家庭用や車両用として主流である固体高分子形燃料電池(以下、燃料電池またはFCとする)は、1)高分子膜の両面に白金触媒接合層(以下、CCM層とする)、2)燃料ガス、酸化剤ガスを触媒反応域に導くガス拡散層(以下、GDLとする)、3)ガス導入・排出溝を持つセパレータやシール材等からなる単位ユニット(以下、セルとする)が繰り返し積層された構造である。レドックスフロー電池は電解質膜を挟み、正極と負極に電解液を循環させ、その金属イオンの電荷数を増減することにより充放電を繰り返す2次電池である。燃料電池のガス拡散層や、レドックスフロー電池の電極、また、燃料電池とほぼ同じ構成の電気分解装置の水素極には、炭素繊維織物を使用することが検討されている。 A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell or FC), which is the mainstream for home and vehicle use, consists of 1) platinum catalyst bonding layers (hereinafter referred to as CCM layers) on both sides of the polymer membrane, 2) A unit unit (hereinafter referred to as a cell) consisting of a gas diffusion layer (hereinafter referred to as GDL) that guides fuel gas and oxidant gas to the catalytic reaction zone, 3) a separator having gas introduction/discharge grooves, a sealing material, etc. is repeated. It is a laminated structure. A redox flow battery is a secondary battery in which an electrolyte membrane is sandwiched, an electrolytic solution is circulated between a positive electrode and a negative electrode, and charging and discharging are repeated by increasing and decreasing the number of charges of the metal ions. The use of carbon fiber fabrics for the gas diffusion layers of fuel cells, the electrodes of redox flow batteries, and the hydrogen electrodes of electrolyzers having almost the same structure as fuel cells has been studied.
まず、燃料電池に使用されるガス拡散層は、一般的に1mm以下の薄いシート状に形成された部材で、外部からの水素を含む燃料ガスおよび酸素を含む酸化剤ガスの2つの反応ガスを電極触媒層に円滑に供給できる機能を有することが要求される。この他に、ガス拡散層の基本的な機能として、1)電気エネルギーを効率的に取り出すために十分に低い電気抵抗を有すること、2)大電流を取り出すための十分なガス透過性および電池で生成する生成水の排出性からなる良好な拡散性を有すること、3)積層部材の厚みのムラや厚みの変化を吸収できるクッション性(弾力性)を有すること、4)強酸性や強アルカリ性にも耐える耐腐食性を有すること、などが必要となる。また、レドックスフロー電池や電気分解装置の液体用の電極としては、厚み方向の電気抵抗が小さく、平面方向の流路抵抗が低く、接液面積が大きいことが要求される。 First, the gas diffusion layer used in the fuel cell is generally a member formed in a thin sheet of 1 mm or less. It is required to have a function of smoothly supplying to the electrode catalyst layer. In addition, the basic functions of the gas diffusion layer include: 1) having a sufficiently low electrical resistance to extract electrical energy efficiently; 2) sufficient gas permeability to extract a large current; 3) have cushioning properties (elasticity) capable of absorbing thickness unevenness and changes in thickness of laminated members; 4) resist strong acidity and strong alkalinity; It is necessary to have corrosion resistance that can withstand even Further, electrodes for liquids in redox flow batteries and electrolyzers are required to have low electrical resistance in the thickness direction, low channel resistance in the planar direction, and a large wetted area.
これまでのガス拡散層は主に炭素繊維による抄紙構造(カーボンペーパ)であるため、上記のガス透過性が不十分であり、厚みムラを吸収するクッション性(弾力性)が低いという問題があった。また、カーボンペーパの特性に対して、高剛性やクッション性を要求する場合には目付けが大きくなり、ガス拡散層全体として厚み方向の電気抵抗も大きくなる。その結果、燃料電池セル自体が発熱し、発電効率が低下する。一方、電気抵抗を小さくするために、カーボンペーパの目付けを小さくしようとすると、短くカットした炭素繊維を紙状に漉く際、空白部を橋渡しする繊維が減るため剛性がへり、CCM層に押し当てる押圧が小さくなり接触抵抗が増える。その結果、発電性能が低下する。そして、カーボンペーパを使用する場合には、大電流域で大量に発生する生成水の水はけが悪いという問題があった。 Conventional gas diffusion layers have a paper-making structure (carbon paper) made mainly of carbon fibers, which has the problem of insufficient gas permeability and low cushioning properties (elasticity) to absorb unevenness in thickness. Ta. In addition, when high rigidity and cushioning properties are required for the properties of carbon paper, the basis weight increases, and the electrical resistance in the thickness direction of the gas diffusion layer as a whole also increases. As a result, the fuel cells themselves generate heat, and power generation efficiency decreases. On the other hand, if you try to reduce the basis weight of the carbon paper in order to reduce the electrical resistance, when the short cut carbon fiber is made into paper, the number of fibers bridging the blank part is reduced, so the rigidity is reduced and it is pressed against the CCM layer. The pressure becomes smaller and the contact resistance increases. As a result, power generation performance deteriorates. In the case of using carbon paper, there is a problem of poor drainage of generated water generated in a large amount in a high current range.
そこで、高分子電解質型燃料電池のセル内の排水性能と保水性能のバランスをうまく保ち、かつ供給ガスの高分子電解質膜への充分な供給を確保することを目的として、ガス拡散層の中のカーボンクロス(炭素繊維織物)において、異なる大きさの網目を面方向に間欠的に分布させる技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。しかし、カーボンクロスとして織目の密なものを使用しても、CCMとの接触を良好にするMPL層(多孔質な平滑層)に凹凸ができ、とくに織目の中央部ではCCM層との接触に必要な押圧が確保できず十分な密着性が得られないという問題もあった。 Therefore, for the purpose of maintaining a good balance between drainage performance and water retention performance in the cell of a polymer electrolyte fuel cell and ensuring a sufficient supply of gas to the polymer electrolyte membrane, A technique of intermittently distributing meshes of different sizes in a plane direction in a carbon cloth (carbon fiber fabric) has been disclosed (see, for example, Patent Document 1). However, even if a densely woven carbon cloth is used, the MPL layer (porous smooth layer), which makes good contact with the CCM, has unevenness. There is also the problem that the pressure required for contact cannot be secured and sufficient adhesion cannot be obtained.
また、これらの問題点を解消するために、カーボンクロスとカーボンペーパとを積層させたガス拡散層が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。しかし、カーボンペーパとカーボンクロスとを単に積層させたガス拡散層では、膜・電極接合体の組立工程においてカーボンペーパとカーボンクロスとを個別に積層させる際に、カーボンペーパおよびカーボンクロスの各々がCCM層に損傷を加えない程度の圧力を加えるので、接触抵抗が大きくなる。さらに、カーボンペーパおよびカーボンクロスのそれぞれに多くの製造工程が必要になり、コストの点でも課題が生じている。 Also, in order to solve these problems, a gas diffusion layer in which carbon cloth and carbon paper are laminated has been proposed (see, for example, Patent Document 2). However, in the gas diffusion layer in which the carbon paper and the carbon cloth are simply laminated, when the carbon paper and the carbon cloth are individually laminated in the assembly process of the membrane-electrode assembly, each of the carbon paper and the carbon cloth is CCM. Since the pressure is applied to a level that does not damage the layers, the contact resistance increases. Furthermore, each of the carbon paper and the carbon cloth requires many manufacturing processes, which poses a problem in terms of cost.
そこで、本発明においては電極材料に要求されるクッション性を維持しながら、燃料電池セル内においては、発生する水蒸気の排出特性(通気特性)を向上させて発電効率を高める燃料電池用ガス拡散層として適用可能な、さらに、レドックスフロー電池および電気分解装置等の液体セル内においては、接触面積を増やし、流路抵抗を下げ、かつ、厚み方向の電気抵抗を下げることのできる、炭素繊維電極材料を提供することを課題とする。 Therefore, in the present invention, while maintaining the cushioning properties required for the electrode material, in the fuel cell, the gas diffusion layer for fuel cells that improves the discharge characteristics (ventilation characteristics) of water vapor generated in the fuel cell and increases the power generation efficiency. A carbon fiber electrode material that can be applied as a carbon fiber electrode material that can increase the contact area, reduce the flow resistance, and reduce the electrical resistance in the thickness direction in liquid cells such as redox flow batteries and electrolyzers. The task is to provide
本発明の炭素繊維電極材料は、炭素繊維織物から形成され、前記炭素繊維織物を構成する経糸および緯糸のうち、少なくとも一方が紡績糸であって、前記炭素繊維織物の少なくとも一方の面において、織組織における前記紡績糸の浮き部分で、前記紡績糸を構成する複数の単繊維のうちの一部の単繊維が切断された起毛部が形成されており、前記起毛部は、前記緯糸および経糸に対して、斜め方向に延設されていることを特徴とする。 The carbon fiber electrode material of the present invention is formed from a carbon fiber fabric, at least one of the warp and the weft constituting the carbon fiber fabric is a spun yarn, and at least one surface of the carbon fiber fabric has a woven In the floating portion of the spun yarn in the structure, a raised portion is formed by cutting some of the plurality of single fibers constituting the spun yarn, and the raised portion is formed on the weft and warp. On the other hand, it is characterized by extending in an oblique direction.
本発明の炭素繊維電極材料において、前記起毛部は、前記緯糸の紡績糸を構成する単繊維数の25%以上50%以下の本数が切断されてなることが好ましい。 In the carbon fiber electrode material of the present invention, it is preferable that the raised portion is formed by cutting 25% or more and 50% or less of the number of single fibers constituting the spun yarn of the weft.
本発明の炭素繊維電極材料において、前記起毛部が形成された紡績糸は、糸巾の細い部分と太い部分とを有し、前記糸巾の細い部分の糸巾は、前記糸巾の太い部分の糸巾の50%以上75%以下であることが好ましい。 In the carbon fiber electrode material of the present invention, the spun yarn on which the raised portion is formed has a thin portion and a thick portion, and the thread width of the thin portion is the thick portion of the thread width. It is preferably 50% or more and 75% or less of the yarn width.
本発明の炭素繊維電極材料において、前記起毛部は、切断元の前記紡績糸以外の緯糸または経糸に架け渡されていることが好ましい。 In the carbon fiber electrode material of the present invention, it is preferable that the raised portion is spanned over weft or warp yarns other than the spun yarn that is the source of cutting.
本発明の炭素繊維電極材料において、前記炭素繊維織物が朱子織もしくはマット織であることが好ましい。 In the carbon fiber electrode material of the present invention, the carbon fiber fabric is preferably satin weave or mat weave.
本発明の炭素繊維電極材料において、前記起毛部は、前記架け渡された緯糸または経糸と、導電性微粒子とフッ素樹脂とを含むバインダーで結着されていることが好ましい。 In the carbon fiber electrode material of the present invention, it is preferable that the raised portion is bound to the suspended weft or warp with a binder containing conductive fine particles and fluororesin.
本発明によれば、電極材料に要求されるクッション性を維持しながら、燃料電池セル内においては、発生する水蒸気の排出特性(通気特性)を向上させて発電効率を高める燃料電池用ガス拡散層として適用可能な、さらに、レドックスフロー電池および電気分解装置等の液体セル内においては、接触面積を増やし、流路抵抗を下げ、かつ、厚み方向の電気抵抗を下げることのできる、炭素繊維電極材料を提供することができる。 According to the present invention, the gas diffusion layer for a fuel cell increases the power generation efficiency by improving the discharge characteristics (ventilation characteristics) of water vapor generated in the fuel cell while maintaining the cushioning properties required for the electrode material. A carbon fiber electrode material that can be applied as a carbon fiber electrode material that can increase the contact area, reduce the flow resistance, and reduce the electrical resistance in the thickness direction in liquid cells such as redox flow batteries and electrolyzers. can be provided.
以下、本発明の炭素繊維電極材料の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定および制限されない。なお、以下で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the carbon fiber electrode material of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited or restricted to the following examples. It should be noted that the drawings referred to below are schematically described, and the dimensional ratios of the objects drawn in the drawings may differ from the dimensional ratios of the actual objects. The dimensional ratios of objects and the like may differ between drawings.
本発明の炭素繊維電極材料は、炭素繊維織物から形成される層を有している。炭素繊維織物は、アクリル繊維を焼成、炭化することで得られる炭素繊維織物である。前記炭素繊維織物を構成する経糸および緯糸のうち、少なくとも緯糸は紡績糸である。そして、この紡績糸を構成する複数の単繊維のうちの一部の単繊維が切断されて、起毛部が形成されている。図1は、炭素繊維織物における起毛部の形成を説明する模式構造図であり、一例として、緯糸4本のうち3本が浮いた朱子織を示している。同図に示すように、炭素繊維織物の織組織における緯糸の浮き部分(緯糸が経糸の上にある部分)の、「切断箇所」と示した位置で、前記一部の単繊維が切断されることで、起毛部が形成されている。そして、起毛部は、図2に示すように、前記緯糸および経糸に対して、斜め方向に延設されている。起毛部は、刷毛もしくは空気流で一方向に引きそろえて毛羽伏せすることで、このように斜め方向に延設することができる。起毛部が斜め方向に延設されることにより、炭素繊維織物の目を跨ぎ、経糸の間に架け橋的に渡る繊維が並ぶ。そのため、織物構造でありながら、起伏が抑制された表面構造を得ることができる。ガス拡散層の基材としてこのような炭素繊維織物を用いると、基材上にマイクロポーラス層を形成する際に、陥没部や開口部の発生を抑制することができる。ここで、紡績糸であるために、数本の毛羽が織目を斜めに延設することはあるが、この程度では好ましい架橋状態とは言えない。 The carbon fiber electrode material of the present invention has a layer formed from carbon fiber fabric. A carbon fiber fabric is a carbon fiber fabric obtained by firing and carbonizing acrylic fibers. Of the warps and wefts forming the carbon fiber fabric, at least the wefts are spun yarns. A raised portion is formed by cutting a part of single fibers among a plurality of single fibers that constitute the spun yarn. FIG. 1 is a schematic structural diagram for explaining the formation of raised portions in a carbon fiber fabric, and shows, as an example, a satin weave in which three out of four wefts are floating. As shown in the figure, some of the single fibers are cut at the position indicated as "cutting point" in the floating portion of the weft (the portion where the weft is above the warp) in the weave structure of the carbon fiber fabric. Thus, a raised portion is formed. As shown in FIG. 2, the raised portion extends obliquely with respect to the weft and warp. The raised portion can be extended obliquely in this manner by aligning the raised portion in one direction with a brush or an air stream and laying down the fluff. By extending the raised portion in an oblique direction, the fibers straddle the grains of the carbon fiber fabric and cross between the warp yarns in a manner of a bridge. Therefore, it is possible to obtain a surface structure in which undulations are suppressed while having a woven structure. When such a carbon fiber fabric is used as the base material of the gas diffusion layer, it is possible to suppress the occurrence of depressions and openings when forming the microporous layer on the base material. Here, since it is a spun yarn, a few fluffs may extend diagonally in the weave, but this degree is not a preferable crosslinked state.
起毛部は、前記緯糸の紡績糸を構成する単繊維数の50%以上75%以下の本数が切断されずに残ることが好ましい。切断割合が高くなると緯糸方向の強度が低下するため、炭素繊維電極材料としての性能(引張強度)維持の観点からは、50%以上の本数が切断されずに残っていることが好ましい。また、切断割合が低く起毛部が少なすぎると、炭素繊維織物の目を十分に跨ぐことができず、起伏の抑制が不十分となるおそれがあるため、75%以下の本数が切断されずに残っていることが好ましい。すなわち、切断割合は、25%以上50%以下の本数の単繊維が切断され、織目の隙間を網羅していることが好ましい。 In the raised portion, it is preferable that 50% or more and 75% or less of the number of single fibers constituting the spun yarn of the weft remain without being cut. As the cutting ratio increases, the strength in the weft direction decreases. Therefore, from the viewpoint of maintaining the performance (tensile strength) as a carbon fiber electrode material, it is preferable that 50% or more of the carbon fibers remain uncut. In addition, if the cut rate is low and the raised portion is too small, the carbon fiber fabric cannot be sufficiently straddled, and there is a risk that the undulations will be suppressed insufficiently. preferably remaining. That is, it is preferable that the number of single fibers cut is 25% or more and 50% or less, and the gaps in the texture are covered.
上記の切断されずに残る単繊維本数の割合は、次のように測定することができる。まず、炭素繊維電極材料の顕微鏡写真から切断されていない単繊維数を数えるという方法で確認することができる。または、顕微鏡写真での計測に代えて、炭素繊維織物から紡績糸をさばき、その糸束において、拡大鏡を用いて明らかに細い部分の10か所の平均糸巾を、明らかに太い部分の10か所の平均糸巾に対する割合として%表示することで算定することができる。なお、このとき、紡績糸ゆえの明らかな毛羽糸や、無撚糸ゆえ糸束から明らかに遊離した糸は無視する。 The ratio of the number of single fibers remaining without being cut can be measured as follows. First, it can be confirmed by counting the number of uncut single fibers from a photomicrograph of the carbon fiber electrode material. Alternatively, instead of measuring with a micrograph, spun yarn is separated from the carbon fiber fabric, and in the yarn bundle, the average yarn width of 10 clearly thin parts is measured using a magnifying glass, and the 10 clearly thick parts are measured. It can be calculated by displaying % as a ratio to the average yarn width at one point. At this time, a fuzzy yarn that is clearly spun yarn and a yarn that is clearly separated from the yarn bundle because it is non-twisted yarn is ignored.
起毛部は、経糸に対して30°以上60°以下の角度に引き揃えられていることが好ましい。前記引き揃えの角度は、図2におけるθAまたはθBのように、経糸と起毛部とが交差する鋭角側の角度とする。なお、後述のMPL層形成後の炭素繊電極材利用でも、MPL層を構成する樹脂の分解温度以上に焼成すれば、起毛部の状況は判別できる。このような起毛部の形成は、例えば、次の方法で行うことができる。炭素繊維織物の出発材料である極細PAN紡績糸からなる織物の耳端部補強した帯状の両端をミシン縫いし、4本ローラの外周を経糸と緯糸に一定張力かけて経糸方向に連続走行させる。その布面に植針ローラを押し当て緯糸の少し浮いている一部の単繊維を切断して起毛させる。そのときの切断される単繊維数は、布の張力の強弱で調整できる。起毛装置は金井重要工業株式会社製、KU-50S等が選択できる。また、前記植針ローラとは、針を放射線状に植え付けたローラである。また、起毛した単繊維を、経糸に対し起毛単繊維が30°~60°に引き揃えられるように、刷毛もしくはエアブラシで一定方向に毛羽伏せする。次に、この織物を耐熱性で平滑な平板間に、所定のシムで適度の隙間(好ましくは織物厚みの1~2倍の隙間)を確保し、毛羽伏せした状態で織物を挟みながら耐炎化と炭化焼成をする。ここで、起毛した単繊維を腰のやわらかい塗装用等の刷毛で撫でるようにして毛羽伏せするとともに、同時に浮遊繊維を除去し、実使用時に、短繊維が遊離しないようにすることも重要である。 It is preferable that the raised portion is aligned at an angle of 30° or more and 60° or less with respect to the warp. The alignment angle is an acute angle such as θA or θB in FIG. Even when using a carbon fiber electrode material after forming the MPL layer, which will be described later, the condition of the raised portion can be determined by firing at a temperature equal to or higher than the decomposition temperature of the resin forming the MPL layer. Formation of such a raised portion can be performed, for example, by the following method. Sewing is sewn on both ends of a belt-shaped fabric made of extra-fine PAN spun yarn, which is the starting material of the carbon fiber fabric, and the selvage ends are reinforced. A needle-introducing roller is pressed against the cloth surface to cut and raise a part of the monofilaments of the weft that are slightly floating. The number of single fibers to be cut at that time can be adjusted by adjusting the tension of the cloth. As a raising device, KU-50S manufactured by Kanai Kikyu Kogyo Co., Ltd. can be selected. The needle-implanting roller is a roller in which needles are radially planted. Further, the raised single fibers are fluffed in a certain direction with a brush or an airbrush so that the raised single fibers are aligned at an angle of 30° to 60° with respect to the warp. Next, this fabric is sandwiched between heat-resistant and smooth flat plates with a predetermined shim to secure an appropriate gap (preferably a gap of 1 to 2 times the thickness of the fabric), and the fabric is sandwiched in a fluff-down state to make it flameproof. and carbonization firing. Here, it is also important to lay down the raised single fibers by stroking them with a soft brush for painting, etc., and at the same time remove floating fibers so that short fibers do not come loose during actual use. .
起毛部は、切断元の紡績糸以外の緯糸または経糸に架け渡されていることが好ましく、架け渡された緯糸または経糸と、導電性微粒子とフッ素樹脂とを含むバインダーで結着されていることがより好ましい。前記バインダーとしては、MPLインクを用いることができる。MPLインクとは、マイクロポーラス層形成のための材料であって、一般に、炭素質粉末等の導電性微粒子とそのバインダーであるフッ素樹脂粒子、界面活性剤が水中に分散したインクである。MPLインク塗布後に、乾燥および焼結して緯糸と経糸とを結着させる。導電性微粒子を含んだマイクロポーラス層用の樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)の場合には、370℃で5分間硬化して結着する。また、レドックスフロー電池の電極用途には、例えば、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)やポリビニルアルコール(PVA)等の、上記の条件での加熱で消失する微細粒子を含んだフッ素樹脂で結着させると、比表面積が増えるため効率が向上し、好ましい。前記微細粒子の粒子径は、5μm以下が好ましく、より好ましくは2μm以下である。 It is preferable that the raised portion is stretched over weft or warp yarns other than the spun yarn that is the source of cutting, and the stretched weft yarns or warp yarns are bound by a binder containing conductive fine particles and fluororesin. is more preferred. MPL ink can be used as the binder. The MPL ink is a material for forming a microporous layer, and is generally an ink in which conductive fine particles such as carbonaceous powder, fluororesin particles as a binder thereof, and a surfactant are dispersed in water. After applying the MPL ink, it is dried and sintered to bind the weft and warp threads. In the case of a resin for the microporous layer containing conductive fine particles, for example, polytetrafluoroethylene resin (PTFE), it is cured at 370° C. for 5 minutes to bind. In addition, for redox flow battery electrode applications, for example, polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl alcohol (PVA), etc., can be bound with a fluororesin containing fine particles that disappear when heated under the above conditions. , the efficiency is improved because the specific surface area is increased, which is preferable. The particle diameter of the fine particles is preferably 5 μm or less, more preferably 2 μm or less.
このように、毛羽伏せされた単繊維(起毛部)が織目空間を網羅するような状態で、経糸や緯糸に結着していることで、実使用時に、電解質膜を両極で挟持した際に、炭素繊維電極材料の織目空間部分のMPL層と電解質膜との密着性が確保され、両者の良好な接触状態が担保される。一方、前記MPL層の反対面のセパレータ側において、この炭素繊維電極材料の織物がセパレータの溝内に食い込むと、流路が減少し水はけが悪くなり、生成水による水詰まり現象を起こしやすくなる。しかし、織目を架橋する繊維(起毛部)が存在する本発明の炭素繊維電極材料を用いた燃料電池用ガス拡散層では、上述のとおり、経糸や緯糸に毛羽伏せ繊維(起毛部)が結着されて補強されているため、セパレータ溝への食い込み量も少なくなり、通気性や水はけ性が保たれる。 In this way, the fluff-bound single fibers (raised portion) are bound to the warp and weft in a state that covers the weave space, so that when the electrolyte membrane is sandwiched between the two electrodes in actual use, In addition, the adhesion between the MPL layer and the electrolyte membrane in the weave space portion of the carbon fiber electrode material is ensured, and a good contact state between the two is ensured. On the other hand, on the separator side opposite to the MPL layer, if the woven fabric of the carbon fiber electrode material bites into the grooves of the separator, the flow paths will be reduced and the drainage will be poor. However, in the fuel cell gas diffusion layer using the carbon fiber electrode material of the present invention in which fibers (raised portions) bridging the texture are present, the fluff-bound fibers (raised portions) are bound to the warp and weft, as described above. Since it is attached and reinforced, the amount of bite into the separator groove is reduced, and air permeability and drainage are maintained.
なお、起毛部が炭素繊維織物の織目を十分に跨ぐとともに、他の糸条に確実に架け渡すためには、起毛部の長さを織物の目の幅よりも長くする必要がある。そこで、炭素繊維織物の織組織を、例えば、緯糸の3本に1本もしくは4本に1本が浮くような朱子織とし、その浮いた緯糸を切断することで、起毛部の長さを確保することができる。 In order for the raised portion to sufficiently straddle the weave of the carbon fiber fabric and to ensure that the raised portion spans over other yarns, the length of the raised portion needs to be longer than the width of the mesh of the fabric. Therefore, the weave structure of the carbon fiber fabric is, for example, a satin weave in which one out of three or one out of four wefts floats, and by cutting the floated wefts, the length of the raised portion is secured. can do.
なお、図1では、緯糸4本のうち3本が浮いた朱子織を例示して切断箇所を示したが、本発明はこれに限られるものではない。緯糸の浮き部分で一部の単繊維を切断し、形成された起毛部が斜め方向に延設されればよいが、2本以上浮いている緯糸を有している織り組織であることが好ましい。前記以外にも、具体的には、5枚2飛び朱子織、5枚3飛び朱子織、7枚2飛び朱子織、8枚3飛び朱子織、2本以上の糸を一組にして平織するマット織等が好ましくあげられる。なお、浮き本数が多くなりすぎると、経糸の拘束が弱く、目ずれを起こすなど織目が正則でなくなりやすくなる。そのため、浮き本数は5本までが望ましい。 In FIG. 1, the satin weave in which three of the four wefts are floating is shown as an example of the cutting point, but the present invention is not limited to this. Some of the single fibers may be cut at the floating portion of the weft, and the formed raised portion may extend in an oblique direction, but a woven structure having two or more floating wefts is preferable. . In addition to the above, more specifically, 5-ply 2-ply satin weave, 5-ply 3-ply satin weave, 7-ply 2-ply satin weave, 8-ply 3-ply satin weave, and two or more yarns are put together and plain weave. A mat weave or the like is preferable. If the number of floats is too large, the restraint of the warp threads is weak, and the weave tends to become irregular, such as misalignment. Therefore, it is desirable that the floating number be up to five.
本発明の炭素繊維電極材料は、織物であって、経糸間を緯糸の起毛単糸(起毛単繊維)によって橋架けされた構造であるとともに、起毛単糸(起毛単繊維)の一方端が緯糸に撚り込まれた構造であることが特徴である。このことにより織目の中間部においても、電子が移動できる良好な導電体を確保でき、電気化学反応を促進することができる。また、本願のような炭素繊維電極材料を構成する繊維内の導電抵抗は、カーボンペーパのような短い繊維がバインダーで結着固定された材料に比較して、接触抵抗がより低くなり得るといえる。また、織物であると、平2重織などの織り方とすることで、カーボンペーパ等の紙や不織布等では容易に形成されない、糸条に沿った方向の微小な線状の凹凸構造を形成することもできる。この構造は、液体や気体の流路とすることができ、セパレータで挟持した際には、流体の流路抵抗を下げることができ、好ましい。 The carbon fiber electrode material of the present invention is a woven fabric, and has a structure in which the warp yarns are bridged by a raised single yarn (raised single fiber) of the weft, and one end of the raised single yarn (raised single fiber) is a weft It is characterized by a twisted structure. As a result, it is possible to secure a good conductor through which electrons can move even in the intermediate portion of the weave, and to promote the electrochemical reaction. In addition, it can be said that the conductive resistance in the fibers constituting the carbon fiber electrode material of the present application can be lower in contact resistance than in materials such as carbon paper in which short fibers are bound and fixed with a binder. . In addition, if it is a woven fabric, by using a weaving method such as a plain double weave, a fine linear concave-convex structure in the direction along the thread is formed, which is not easily formed with paper such as carbon paper or non-woven fabric. You can also This structure can be used as a channel for liquid or gas, and when sandwiched between separators, the channel resistance of the fluid can be reduced, which is preferable.
以上においては、少なくとも緯糸に紡績糸を用いた織物について説明したが、本発明においては、紡績糸は緯糸に代えて経糸のみに用いてもよいし、緯糸および経糸の両方を紡績糸として、緯糸および経糸の両方について一部の単繊維を切断する態様としてもよい。 In the above, a woven fabric using spun yarn as at least the weft was explained, but in the present invention, the spun yarn may be used only for the warp instead of the weft, It is also possible to cut some of the single fibers of both the warp and the warp.
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
[実施例1]
1.燃料電池用ガス拡散層の作製
(1)出発繊維繊維織物
出発繊維織物として、カバーファクターがデニール換算959で、緯糸が5本中4本が浮く朱子織のアクリル紡績糸織物を織った。経糸は100メートル番手に消失繊維(PVA)で撚りを戻すように合糸し、緯糸は同じく200メートル番手の撚りを戻すようにした合糸である。経糸はインチ当たり70本とした。織布後消失繊維を温水で洗い落とし、実質無撚り糸からなる織物とした。
[Example 1]
1. Preparation of Gas Diffusion Layer for Fuel Cell (1) Starting Fiber Fabric As the starting fiber fabric, an acrylic spun yarn fabric with a cover factor of 959 in terms of denier and a satin weave in which 4 out of 5 wefts float was woven. The warp is a 100-meter count yarn that is untwisted with vanishing fiber (PVA), and the weft yarn is a 200-meter count untwisted yarn. There were 70 warp threads per inch. After weaving, the lost fibers were washed off with warm water to obtain a woven fabric composed of substantially non-twisted yarn.
(2)起毛部の形成
得られたアクリル紡績糸織物の浮いた緯糸を毛羽立て機(金井重要工業株式会社製、KU-50S)にて、部分的に破れず、拡大鏡で毛羽が織目以上の長さで毛羽立てできている設定条件として部分的に単繊維を切断して毛羽(起毛部)を形成し、刷毛で毛羽が経糸に45度になるように毛羽伏せし、毛羽伏せ布を作製した。ここで毛羽伏せ後の織物の目付は毛羽伏せしない織物の目付の94%であった。
(2) Formation of raised portion The floating wefts of the obtained acrylic spun yarn fabric are subjected to a fluffing machine (KU-50S, manufactured by Kanai Jitsu Kogyo Co., Ltd.) so that the fluff is not partially broken, and the fluff is observed with a magnifying glass. As a setting condition, the single fiber is partially cut to form fluff (raised part), and the fluff is laid down with a brush so that the fluff is at 45 degrees to the warp, and the fluff is laid down. was made. Here, the basis weight of the fabric after fluffing was 94% of the basis weight of the fabric without fluffing.
(3)炭素繊維織物作製
得られた毛羽伏せ後の織物の厚みの1.5倍の隙間を確保するシムを外周に配して、毛羽伏せ後の織物を耐熱板で挟み、耐炎化処理と炭化処理を実施して毛羽伏せ炭素繊維織物である炭素繊維電極材料を得た。ここで、織物の厚みとは、ミツトヨ製デジマチックインディケータの平押1cm径端を上から押し当てた時の値とした。得られた炭素繊維電極材料の毛羽伏せした面の表面顕微鏡写真を図3に示す。得られた毛羽伏せ炭素繊維織物の緯糸をさばき、その糸束において、拡大鏡を用いて測定した、明らかに細い部分の10か所の平均糸巾と、明らかに太い部分の10か所の平均糸巾とを算出したところ、細い部分の前記平均糸巾は、太い部分の前記平均糸巾の66%であった。この緯糸の紡績糸は、単繊維数の34%の本数が切断されていると見積もることができる。得られた炭素繊維電極材料の経糸のピッチは、280μmであった。
(3) Carbon fiber fabric production A shim that secures a gap 1.5 times the thickness of the obtained fabric after fluffing is placed on the outer periphery, and the fabric after fluffing is sandwiched between heat-resistant plates, and flameproofing is performed. A carbon fiber electrode material, which is a fluff-covered carbon fiber fabric, was obtained by performing a carbonization treatment. Here, the thickness of the woven fabric is the value obtained when a flat-pressed 1 cm diameter end of a Mitutoyo Digimatic Indicator is pressed from above. FIG. 3 shows a surface micrograph of the fluffed surface of the obtained carbon fiber electrode material. The weft yarn of the obtained fuzz-bound carbon fiber fabric was separated, and the average yarn width of 10 apparently thin portions and the average of 10 clearly thick portions were measured using a magnifying glass in the yarn bundle. When the thread width was calculated, the average thread width of the thin portion was 66% of the average thread width of the thick portion. It can be estimated that 34% of the number of single filaments of this weft spun yarn is cut. The warp pitch of the obtained carbon fiber electrode material was 280 μm.
(4)MPLインク塗布(MPL層形成)
導電性微粒子としてカーボンブラックおよびカーボンナノチューブ粒子を、フッ素樹脂としてPTFE樹脂を含んだ水溶性のMPLインク(バインダー)を調合した。そして、このMPLインクを、得られた炭素繊維電極材料に、塗布目付が11g/m2になるように転写方式で塗布し、370℃で5分間焼成した。焼成後の炭素繊維電極材料では、起毛部が結着されていることが確認できた。
(4) MPL ink application (MPL layer formation)
A water-soluble MPL ink (binder) containing carbon black and carbon nanotube particles as conductive fine particles and PTFE resin as a fluororesin was prepared. Then, this MPL ink was applied to the obtained carbon fiber electrode material by a transfer method so that the coating weight was 11 g/m 2 , and baked at 370° C. for 5 minutes. It was confirmed that the raised portions were bound in the carbon fiber electrode material after sintering.
なお、本願にて「目付け」とは、日本工業規格(JIS)L02028における「毛織物などの単位面積当たりの質量を表す単位で、1m2当りのグラム数」と同義である。 In the present application, the term "basis weight" has the same meaning as "a unit representing the mass per unit area of woolen fabric, etc., and the number of grams per 1m2 " in Japanese Industrial Standards (JIS) L02028.
(5)表面粗さ測定
MPLインクを塗布し、焼成した後の炭素繊維電極材料を、ゼロから200N/cm2まで加圧することを5回繰り返した後、そのMPLインク塗布側(MPL層側)の平面の表面粗さを、非接触表面粗さ機能のあるデジタルマイクロスコープ(キーエンス社製、VHX700)で測定した。図4に表面粗さ測定の結果を示す。経糸断面方向の表面粗さは、280μmピッチの周期で最大5μm以内であり、燃料電池用ガス拡散層として使用した場合に、発電性能に影響の及ばないへこみ量であった。図示しないが、MPL層の反対面のセパレータ側から紡績糸の単繊維の一部が切断されて、織糸方向に対して斜め方向に延設されて、織目中央部のMPL層の表面を覆っていることが観察された。
(5) Surface roughness measurement After applying MPL ink and applying pressure to the baked carbon fiber electrode material from zero to 200 N / cm 2 5 times, the MPL ink application side (MPL layer side) was measured with a digital microscope (manufactured by Keyence Corporation, VHX700) having a non-contact surface roughness function. FIG. 4 shows the results of surface roughness measurement. The surface roughness in the warp cross-sectional direction was within a maximum of 5 μm at a period of 280 μm pitch, and the amount of dents did not affect the power generation performance when used as a gas diffusion layer for a fuel cell. Although not shown, a part of the single fiber of the spun yarn is cut from the separator side opposite to the MPL layer and extended in a direction oblique to the weaving yarn direction to cover the surface of the MPL layer at the center of the weave. observed to cover.
[比較例1]
出発繊維織物として、実施例1と同じ紡績糸からなる、カバーファクターがデニール換算959である平織のアクリル紡績糸織物を用い、起毛部の形成を行わなかった以外は、実施例1と同様にして、炭素繊維電極材料を得た。得られた炭素繊維織物の緯糸をさばき、その糸束において、拡大鏡を用いて測定した、明らかに細い部分の10か所の平均糸巾と、明らかに太い部分の10か所の平均糸巾とを算出したところ、細い部分の前記平均糸巾は、太い部分の前記平均糸巾の87%であった。この値は、切断の工程のない通常の工程で発生する紡績糸のばらつき範囲であった。得られた炭素繊維電極材料の経糸のピッチは280μmであった。
[Comparative Example 1]
As the starting fiber fabric, a plain weave acrylic spun yarn fabric made of the same spun yarn as in Example 1 and having a cover factor of 959 in terms of denier was used, and the raised portion was not formed in the same manner as in Example 1. , to obtain a carbon fiber electrode material. The weft yarn of the obtained carbon fiber fabric was separated, and the average yarn width of 10 clearly thin portions and the average yarn width of 10 clearly thick portions were measured using a magnifying glass in the yarn bundle. was calculated, the average thread width of the thin portion was 87% of the average thread width of the thick portion. This value was within the range of spun yarn variation that occurs in a normal process without a cutting process. The warp pitch of the obtained carbon fiber electrode material was 280 μm.
MPLインクを塗布し焼成後に、MPL層側の表面粗さを測定した結果を図5に示す。経糸断面方向の表面粗さは、280μmピッチの周期で最大12μmもあった。これは、燃料電池用ガス拡散層として使用した場合に、押圧不足を招く基準を超える値である。起毛部の形成を行わない平織である場合には、MPL層形成後に表面の凹凸が改善されていないことがわかる。 FIG. 5 shows the results of measuring the surface roughness of the MPL layer side after applying and baking the MPL ink. The surface roughness in the warp cross-sectional direction was as high as 12 μm at a period of 280 μm pitch. This is a value that exceeds the standard that causes insufficient pressing when used as a gas diffusion layer for a fuel cell. It can be seen that in the case of the plain weave without forming the raised portion, the unevenness of the surface was not improved after the formation of the MPL layer.
実施例1の炭素繊維電極材料では、起毛部が斜め方向に延設されていることにより、比表面積を大きくするとともに、織目中央部の空間の剛性が上がっている。そのため、MPL層形成(MPLインクの塗布)の際に、織目中央部の空間部分での凹みが生じにくくなった。MPL層を形成した炭素繊維電極材料を、電解質膜とセパレータで挟持するとき、その押圧で経糸の直角断面におけるMPL層の表面粗さは、経糸ピッチの周期的な凹凸が発生する。毛羽伏せ布のように織目をまたぐ繊維(起毛部)があると、その繊維は補強繊維として作用し、表面の凹み変形は、燃料電池の発電性能に大きく影響しない程度の変形量(6μm以内)に収めることができ、密着性を確保している。一方、毛羽伏せのない布で織目をまたぐ補強材がないときは、比較例1のように約2倍凹み、接触不良をおこす。 In the carbon fiber electrode material of Example 1, the napped portion extends obliquely, thereby increasing the specific surface area and increasing the rigidity of the space in the central portion of the texture. Therefore, when forming the MPL layer (applying the MPL ink), the space in the central portion of the texture is less likely to be recessed. When the carbon fiber electrode material having the MPL layer formed thereon is sandwiched between the electrolyte membrane and the separator, the surface roughness of the MPL layer in the perpendicular cross-section of the warp yarns generates periodic unevenness of the warp pitch. If there is a fiber (raised part) that straddles the weave like a fluff-bound cloth, the fiber acts as a reinforcing fiber, and the deformation of the surface dents is a deformation amount (within 6 μm) that does not greatly affect the power generation performance of the fuel cell. ), and the adhesion is ensured. On the other hand, when the cloth is not covered with fluff and there is no reinforcing material across the weave, the recess is about twice as large as in Comparative Example 1, resulting in poor contact.
織構造としては、一般的には、朱子織は平織と比較して、MPL面を押したときに凹凸が発生しやすい。朱子織は、織糸の橋渡し距離が長くなる部分があるため、凹凸面になりやすい構造であるためである。しかし、上述のように、毛羽伏せを行った朱子織の炭素繊維織物では、MPL層形成後に、比較例1の平織に比べてその凹凸は改善されており、実施例1の毛羽の橋渡し効果は十分あることが示されたといえる。 As for the woven structure, satin weave is generally more prone to unevenness than plain weave when the MPL surface is pressed. This is because the satin weave has a structure in which the bridging distance of the weaving yarn is long, so that the surface tends to be uneven. However, as described above, in the satin carbon fiber fabric in which the fluff is bound, after the formation of the MPL layer, the unevenness is improved compared to the plain weave of Comparative Example 1, and the fuzz bridging effect of Example 1 is It can be said that it has been shown that there is enough.
以上、本発明の炭素繊維電極材料について、燃料電池用ガス拡散層としての特性を確認した結果を例示して説明した。しかし、本発明の炭素繊維電極材料の用途は、燃料電池用ガス拡散層に限定されるものではなく、レドックスフロー電池および電気分解装置等の液体セル内において、好適に使用することができる。レドックスフロー電池および電気分解装置に使用される形態においては、本発明の炭素繊維電極材料を用いた正極および負極の電極で電解質膜を挟み、流体流路を確保するセパレータで挟持して使用することができる。この電極についても、厚み方向の電気抵抗が低く、流路抵抗も低く、電解質膜と安定して密着させることができ、耐酸性であるとの要求特性は、燃料電池用ガス拡散層と同じである。 In the above, the carbon fiber electrode material of the present invention has been described by exemplifying the results of confirming the characteristics as a fuel cell gas diffusion layer. However, the application of the carbon fiber electrode material of the present invention is not limited to gas diffusion layers for fuel cells, and can be suitably used in liquid cells such as redox flow batteries and electrolyzers. In the form used in redox flow batteries and electrolyzers, the electrolyte membrane is sandwiched between positive and negative electrodes using the carbon fiber electrode material of the present invention, and is sandwiched between separators that secure fluid flow paths. can be done. This electrode also has the same requirements as the gas diffusion layer for fuel cells, such as low electrical resistance in the thickness direction, low flow path resistance, stable adhesion to the electrolyte membrane, and acid resistance. be.
Claims (6)
前記炭素繊維織物を構成する経糸および緯糸のうち、少なくとも一方が紡績糸であって、
前記炭素繊維織物の少なくとも一方の面において、織組織における前記紡績糸の浮き部分で、前記紡績糸を構成する複数の単繊維のうちの一部の単繊維が切断された起毛部が形成されており、
前記起毛部は、前記緯糸および経糸に対して、斜め方向に延設されていることを特徴とする炭素繊維電極材料。 Formed from carbon fiber fabric,
At least one of the warp and the weft constituting the carbon fiber fabric is a spun yarn,
On at least one surface of the carbon fiber fabric, a raised portion is formed by cutting some single fibers out of a plurality of single fibers constituting the spun yarn at floating portions of the spun yarn in the weave structure. cage,
The carbon fiber electrode material, wherein the raised portion extends obliquely with respect to the weft and warp.
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A711 | Notification of change in applicant |
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